考慮貨物熱源時冷藏集裝箱室內空氣流場分析

趙東夏 楊萬楓 應豪

近年來，我國農產品需求增長迅速，形成規模較大的農產品物流市場。果蔬在農產品交易中占據較大市場份額，由于其含水量高，在采收、分級、包裝、運輸等過程中容易腐爛，因此一般采用冷藏運輸。[1]冷藏集裝箱運輸是冷藏鏈中比較重要的環節，冷藏集裝箱果蔬儲存質量取決于箱內空氣流場分布。[2]本文建立果蔬冷藏集裝箱室內空氣流場的數學模型，利用流體力學計算軟件Fluent進行三維穩態數值模擬，比較在考慮貨物熱源情況下冷藏集裝箱室內貨物堆碼數量對箱室內溫度場和速度場分布的影響，以期通過合理分配集裝箱室內的冷量和氣流來達到冷藏果蔬類貨物的目的。[3-4]

1 建立模型

1.1 物理模型

本文以20英尺國際標準鋼制集裝箱為研究對象，其外部尺寸為讇祝誆砍嘰縹獉讇住@洳丶跋淥頭綬絞椒治纖拖祿睪拖濾蛻匣兀臼匝椴捎孟濾蛻匣氐乃頭綬絞劍喜糠緲誄嘰縹獉？，下部風口尺寸為祝頭縊俁任？s。本文重點研究冷藏集裝箱室，故在之后的建模過程中對其進行一定簡化處理。集裝箱室內設計有方便貨物裝卸的結構和導風軌等，但其對整個計算區域空氣流場的影響不大，故經簡化處理后的集裝箱室的幾何模型是一個長方體。

1.2 數學模型

冷藏集裝箱室內氣流通過送風口以下送上回的形式在集裝箱內循環冷卻貨物，形成三維空間內的湍流模型。三維湍流模型有多種模擬方法，由于冷藏集裝箱是高雷諾數的湍流模型，故采用現階段最常用的k- 雙方程湍流模型。箱壁附近區域紊流雷諾數較低，需要考慮分子黏性的影響，采用壁面函數法對之進行處理。[5]為研究方便，在三維坐標中將相應的控制方程寫成通用變量的形式：

1.3 邊界條件

（1）熱源邊界 將箱體外壁面作為邊界條件，將保溫層導熱與內壁對流換熱統一起來，采用第三類邊界對其求解：環境溫度取，傳熱系數取0.2（W/ m2貳？，貨物的熱流量為番茄在庫內的呼吸熱，按番茄密度/m3計算，呼吸熱總值為。

（2）入口邊界 入口邊界采用速度入口邊界條件。入口平均送風溫度取，送風速度取6.0 m/s；由于k和 難以測量或計算，采用紊流強度和特性規格來定義紊流，湍流動能和耗散率分別為2/s2和2.2 m2/s3。

（3）出口邊界 出口邊界采用壓力出口條件，出口壓力及溫度根據環境值確定。

2 冷藏集裝箱室內溫度場模擬

2.1 考慮貨物熱源情況下貨物堆碼對箱室內溫度場影響的模擬

送風溫度取，外部溫度取，送風速度取/s，湍流動能和耗散率分別為2/s2和2/s3。為分析考慮熱源情況下貨物堆碼數量對箱室內溫度場的影響，對貨物在y方向的數量為1和2時的情況進行模擬。各工況下每組貨物在箱室內呈對稱堆碼分布；堆碼立方體貨物與堆碼箱側壁的距離為，立方體貨物間的距離為。由圖 1可見：當貨物在y方向的數量為1時，冷藏集裝箱送風口的溫度較低，箱室內堆碼的貨物使中心部分區域溫度較高；由于貨物間無空隙，致使箱室內溫度分布不均勻，熱量交換不充足。由圖2可見，當貨物在y方向的數量為2時，由于箱室內堆碼的貨物間存在空隙，箱室內溫度降低且溫度場分布比較均勻。

2.2 考慮貨物熱源情況下貨物堆碼對箱室內速度場影響的模擬

貨物在y方向的堆碼數量為1和2時冷藏集裝箱室內速度場分布模型分別如圖3和圖4所示。由圖 3可知：當貨物在y方向的數量為1時，由于集裝箱底部有導風軌和送風口，底部及送風口附近的速度值較高；由于箱室內堆碼貨物，堆碼貨物部分區域速度值較低，且由于門端距離出風口較遠，其速度值較低。由圖4可見，當貨物在y方向的數量為2時，由于貨物間存在空隙，貨物中心區的速度值增大，同時紊流強度增大，導致箱室內速度場分布不均勻。

3 模擬分析結論

運用Fluent軟件對考慮貨物熱源情況下冷藏集裝箱室內溫度場和速度場分布進行模擬仿真分析后得出以下結論。

（1）由于集裝箱底部設有導風軌和送風口，底部及送風口附近的速度值較高；由于箱室內裝有貨物，故中心部分區域速度值較低；由于門端距離送風口較遠，故速度值較低。

（2）集裝箱送風口處溫度值較低，門端的溫度值較高，中心部分區域由于貨物內熱源的存在而溫度值較高。

參考文獻：

[1] 張子德，馬俊蓮.果品蔬菜貯藏運輸學[M]. 北京：中國農業科學技術出版社，2006：1-2.

[2] MALLIKARJUNAN P， MITTAL G S. Heat and mass transfer during beef carcass chilling―modeling and simulation[J]. Journal of Food Engineering， 1994， 23（3）：277- 292.

[3] 李東，韓厚德，紀珺，等. 冷藏集裝箱內部溫度場分布的試驗研究[J]. 機電設備，2006（6）：14-18.

[4] 陳旭. 冷藏集裝箱船艙內通風模型試驗研究[D]. 上海：上海交通大學，2008：14-15.

[5] 王以忠，胡春園，陳紹慧，等. 冷藏車內溫度場和濕度場的數值模擬研究[J]. 保鮮與加工，2010，10（3）：26-29.

[6] 朱紅鈞，林元華，謝龍漢. Fluent 12流體分析及工程仿真[M]. 北京：清華大學出版社，2011：88-89.

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2015-12-30）